Об условиях твердения и выборе вяжущего для крепления нефтяных и газовых скважин

Для крепления современных сверхглубоких нефтяных и газовых скважин требуются вяжущие материалы, способные в особо тяжелых температурных условиях твердения обладать достаточно медленными сроками схватывания и стабильной прочностью.

Установлено, что при высоких температурах (200°) и давлении (700 атм) низкоосновные гидросиликаты кальция можно синтезировать при гидратации клинкерных минералов C3S (алита) и C2S (белнта) в смеси с высококремнеземистым компонентом, либо при взаимодействии извести цементной пульпы


Лишь двухкальциевый силикат медленно гидратируется даже при повышенных температурах и давлениях, способствуя образованию в смеси с высококремнеземистым компонентом низкоосновных форм гидросиликатов кальция.

Исследование продуктов гидратации двухкальциевого силиката проводилось в НИИ- Цементе на образцах нз синтезированного минерала p-C2S и его смесей с 25- и 50%-ным содержанием кварцевого песка, обработанных в автоклаве в течение 8 час. и 7 сут. при 200° и 700 ати. Тонкоизмельченный минерал p-C2S и кварцевый песок (проход через сито с 4900 отв/см2—100%) затворяли дистиллированной водой (50%) и в формах размером 1 ,Х 1 X 3 см загружали в автоклав.

Фазовый состав гидратированных образцов определялся рентгеновским; термическим и петрографическим методами. Данные исследований приведены в таблице 1. Рентгенограммы и термограммы образцов приведены на рис. 1 и 2.


Добавка к чистому C2S высококремнеземистого компонента ускоряет процесс гидратации и обусловливает получение низкоосновных гидросиликатов кальция, что весьма повышает прочность образцов. Увеличение концентрации кремнезема в составе смеси до 50% приводит к более интенсивному его связыванию.

Гидратация C2S даже при 200° и 700 ати протекает весьма медленно, на что указывают непро- гидратированные остатки С2$ после 8-часовой гидротермальной обработки. В связи с этим нами была исследована возможность применения промышленных отходов, содержащих до 80—85% P-C2S, для приготовления тампонажного цемента и выявлены основные свойства его.

При этих исследованиях применялся белитовый отход алюминиевого производства, химический состав которого, в отличие от других промышленных отходов, например доменных шлаков, характеризуется большим постоянством. Это свойство является важным преимуществом при производстве вяжущих, к которым предъявляются определенные качественные требования.

Вопросу использования белитовых отходов для производства вяжущих на его основе посвящены работы П. И. Божеиова3 и других специалистов. Однако авторы этих работ занимались в основном исследованием высокобелитовых материалов с целью получения портландцементного клинкера, а также изучением свойств вяжущих на их основе, предназначенных для производства автоклавных изделий.

Нами определялась возможность применения белитового отхода в производстве специального вяжущего для цементирования высокотемпературных нефтяных скважин. С этой целью был использован весьма дешевый белитовый компонент и кварцевый песок Вольского карьера. Первый размалывали в лабораторной шаровой мельнице до удельной поверхности (S), равной 2200; 2 700, 3 000, 3 800 и 4 300 см21г, а кварцевый песок — до 2 000 см2/г.

Была определена размалываемость высокобелитового компонента и установлены сроки схватывания его смесей с различным количеством кварцевого песка при подобранном В/Ц, температуре 200 и 300°, давлении 700 атм. Определялась также прочность смесей при различных температурах и давлениях: 120° и 300 атм, 150° и 500 атм; 170, 200, 250, 300° и 700 атм. Выявлено изменение прочности образцов с продолжительностью автоклавной обработки до 7 сут. Кроме того, установлено влияние удельной поверхности белитовой составляющей на сроки схватывания и прочность образцов при одинаковом В/Ц и подобранной растекаемости (как правило, растекаемость, измеряемая по тампонаж- ной методике конусом АзНИИ, принималась равной 17 см).

Наконец, выявлена возможность регулирования свойств цементной пульпы к прочности цементного камня при высоких температурах и давлениях добавкой бентонитовой глины.

В табл. 2 приведены данные, характеризующие помол смеси 50% высушенного белитового компонента и 50% кварцевого песка. Они показывают весьма высокую размалываемость белитового отхода.

Для определения сроков схватывания использовался прибор конструкции ГрозНИИ , позволяющий устанавливать начало и конец схватывания цементной пульпы непосредственно в автоклаве.


Значительный интерес представляет зависимость сроков схватывания и прочности цементного камня от состава вяжущего Вначале добавка кремнезема к белитовому компоненту в количестве от 20 до 30% несколько ускоряет процесс твердения, сокращая разрыв между началом и концом схватывания вяжущего. Эта закономерность подтверждает влияние кремнезема на скорость гидратации белита, наблюдавшееся при изучении фазового состава продуктов гидратации чистого P C2S (табл. 1).

При увеличении содержания кварцевого песка в смеси до 20—30% происходит полный переход двухосновных гидросиликатов кальция в низкоосновные до «насыщения» ими цементного сростка. Дальнейшее увеличение содержания кремнеземистого компонента в смеси приводит к «разбавлению» оптимального содержания ннзкоосновных гндросилнкатов кальция в структуре цементного камня, что сопровождается постепенным понижением начальной прочности

На рис. 3 результаты испытания прочности образцов, твердевших при различных температурных условиях, и сроках схватывания смесей разного состава.

Удлинение продолжительности автоклавирования смеси из 30%) белитового и 70%) кремнеземистого компонентов при 200° и 700 атм до 7 сут. не приводит к снижению прочности, что подтверждает вьвод о стабильности низкоосновных гидросиликатов кальция в условиях высоких температур и давлений.

Характер изменения прочности цементного камня практически не зависит от температуры автоклавной обработки в пределах 120—300°. Наибольшей прочности соответствует содержание в смеси 80—50%) белитового и 20—50%) высококремнеземистого компонентов. Однако содержание белитовой составляющей в вяжущем не должно превышать 70%, так как это может привести в дальнейшем к снижению прочности цементного камня.

Термограммы образцов, гидратированных при . 200° и 700 атм, приведены на рис. 4. Образцы, состоящие из одного белитового компонента и обработанные в автоклаве в течение 1 и 2 сут., показывают эндотермический эффект при 780°, что указывает на наличие в их составе двухосновного гидросиликата C2SH(С). При добавке к белитовому компоненту молотого кварцевого песка эндотермический эффект, определяющий наличие двухосновного гидросиликата кальция, исчезает и на термограмме появляется экзотермический эффект при 815—830°, характерный для гидросиликата CSH(B) с основностью 0,8.

Рассматриваемые термограммы идентичны термограммам образцов, состоящих из чистого C2S и его смесей с кварцем, автоклавированных при тех же условиях (рис. 2 и 4).

Удельная поверхность белитового компонента существенно влияет на прочность цементного камня. Были приготовлены смеси из белитового компонента (30%) и кварцевого песка (70%)) с ВЩ = 0,39. Удельная поверхность белитовой составляющей колебалась от 2 200 до 4 300 см2/г. Оказалось, что прочность образцов, приготовленных из белитового отхода с S = 4 300 см2/г и выдержанных в автоклаве при 300° и 700 ати в течение 2 сут на 85%) выше прочности образцов, для приготовления которых был использован белитовый компонент с S = 2 200 см2/г.

В табл. 3 приведены данные, характеризующие влияние удельной поверхности совместно молотых кварцевого песка (50%) и белитового компонента (50%о) на сроки схватывания цементной пульпы с

Интересно отметить, что сроки схватывания цементной пульпы и прочность образцов, полученных на ее основе, при изменении удельной поверхности смеси, затворенной подобранным по растекаемости количеством воды, практически остаются постоянными. Это может быть объяснено тем, что повышение активности вяжущего за счет увеличения его удельной поверхности нейтрализуется увеличенным количеством воды затворения.

Исследование возможности регулирования сроков схватывания цементной пульпы при высоких температурах и давлениях (табл. 4) показало, что в случае необходимости незначительная добавка обычной бентонитовой глины является эффективным замедлителем схватывания вяжущего. Так, при добавлении бентонитовой глины в количестве 30% от веса вяжущего, сроки схватывания последнего с подобранным по растекаемости ВЩ при 200° и 700 атм замедляются примерно в два раза.


Проведенные исследования показывают, что при твердении белитового компонента в присутствии высококремнеземистой добавки образуются низкоосновные гидросиликаты кальция, устойчивые во времени в условиях высоких температур и давлений. Сроки схватывания пульпы и прочность цементного камня при высоких температурах и давлениях могут регулироваться соотношением основных компонентов вяжущего, степенью измельчения белитового компонента и, в случае необходимости, добавкой бентонитовой глины.

Все это указывает на целесообразность использования белитовых отходов при производстве специального вида вяжущего для цементирования высокотемпературных нефтяных и газовых скважин.



Завод железобетонных конструкций Запорожстройдеталь освоил изготовление стеклопанелей из железобетона и стеклянных блоков.

На снимке: готовые стеклопанели предназначенные к отгрузке на стройки.